金相试样切割机控制系统的研究
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摘要
金相试样切割机是主要用于试样截取的金相设备，在冶金和机械制造业有着广泛的应用。目前其研制和生产水平与国外相比存在较大的差距，有必要研究和提高。本项研究的目的是设计金相试样切割机的控制系统，主要内容包括在线监控切割状态，防止砂轮片堵转、破碎，取样表面无过烧，切割面垂直、光洁，适合下一步的磨抛光操作，通过对操作界面的改进，增强易用性。
研究的特点是使用自由版权的工具链，建立了实用的开发平台。在磨削过程力能分析的基础上，提出了从控制切割砂轮转速入手，改善取样的表面质量的控制方案。使用光电传感器检测砂轮的转速，间接得到切向力的大小。控制算法使用了PID控制，根据材料的硬度和接触弧长对磨削过程的影响，在线调整了PID控制的参数。选择了嵌入式Linux开发板，设计了功率板和部分接口电路；软件使用C语言实现，在实时中断程序中检测转速、按键，计算和输出控制量；主程序中执行参数调整、按键命令处理、状态显示等任务。
经过试验验证，通过在线调整PID参数，减小了控制系统的过调，其稳态控制精度和固定参数PID控制器相同，动态精度优于固定参数PID控制器。在切割时，改善了切割负荷的过大振荡，解决了材料不同切割参数难以选择和砂轮堵转、取样表面过烧等问题。
首次将嵌入式Linux开发技术应用到了金相设备的开发研究中，使开发研究更侧重于应用，避免了底层重复开发。与其它方案比较，本方案在技术的先进性、工程的可重用性方面都是较优的选择。
The Metallographic Sample Cutting Machine is a kind of metallographic equipments, which is mainly used to cut off sample from test material. It is widely used in metallurgical and mechanical manufacturing industry. At the present time, its research and manufacture in domestic lag behind that of some foreign nation. There has nessesity to research and enhance the domestic develop level. It aims to designing a control system, that can monitor the cutting process, which make the abrasion wheel avoid blocking or cracking, can make the sample surface has no over-heated area, has a smooth surface, which has suitability for the next operation梡olishing. Another goal is change the operate interface, which can make the machine more easy to use.
The tool chain under General Public License is used to creat a practical develop platform. After analysis on the cutting process, the scheme is offered. By monitoring the rotation speed of abrasion wheel, the quality of cut-off samle surface is controlled in expected range.
Photoelectric sensor is used in measuring the rotation speed of abrasion wheel to obtain dimension of circumferential abrasive force indirectly. PID control algorithm is used and its parameter is adjusted according the change of hardness and contact area of the cutting material. Embedded Linux develop kit is choosed and power driver circuit and some interface is designed. The software is write by C programming language, which include two parts: the real time interrupt procedure, which monitor the rotation speed, pressed key; and the main program, which adjust the control parameter, process the command of corresponding key, display the cut information and so on.
According to the experiment, the designed PID control system has a less overregulate. Its static control accuracy is equal to constant PID control, its dynamic control accuracy exceed the constant PID control. The designed system make the abrasive load is more stable. Problems are settled that the feed speed is difficult to
choose and abrasion wheel is blocked or cracked and the sample is sometimes overheated. The design is proved feasible.
Applying embedded Linux develop technology in metallographic equipments research first time. It make the develop put more energy on the applying implementation, avoiding low level repetitive develop work.
This design is more advanced on technique and more reusable in develop engineering.
研究的特点是使用自由版权的工具链，建立了实用的开发平台。在磨削过程力能分析的基础上，提出了从控制切割砂轮转速入手，改善取样的表面质量的控制方案。使用光电传感器检测砂轮的转速，间接得到切向力的大小。控制算法使用了PID控制，根据材料的硬度和接触弧长对磨削过程的影响，在线调整了PID控制的参数。选择了嵌入式Linux开发板，设计了功率板和部分接口电路；软件使用C语言实现，在实时中断程序中检测转速、按键，计算和输出控制量；主程序中执行参数调整、按键命令处理、状态显示等任务。
经过试验验证，通过在线调整PID参数，减小了控制系统的过调，其稳态控制精度和固定参数PID控制器相同，动态精度优于固定参数PID控制器。在切割时，改善了切割负荷的过大振荡，解决了材料不同切割参数难以选择和砂轮堵转、取样表面过烧等问题。
首次将嵌入式Linux开发技术应用到了金相设备的开发研究中，使开发研究更侧重于应用，避免了底层重复开发。与其它方案比较，本方案在技术的先进性、工程的可重用性方面都是较优的选择。
The Metallographic Sample Cutting Machine is a kind of metallographic equipments, which is mainly used to cut off sample from test material. It is widely used in metallurgical and mechanical manufacturing industry. At the present time, its research and manufacture in domestic lag behind that of some foreign nation. There has nessesity to research and enhance the domestic develop level. It aims to designing a control system, that can monitor the cutting process, which make the abrasion wheel avoid blocking or cracking, can make the sample surface has no over-heated area, has a smooth surface, which has suitability for the next operation梡olishing. Another goal is change the operate interface, which can make the machine more easy to use.
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Photoelectric sensor is used in measuring the rotation speed of abrasion wheel to obtain dimension of circumferential abrasive force indirectly. PID control algorithm is used and its parameter is adjusted according the change of hardness and contact area of the cutting material. Embedded Linux develop kit is choosed and power driver circuit and some interface is designed. The software is write by C programming language, which include two parts: the real time interrupt procedure, which monitor the rotation speed, pressed key; and the main program, which adjust the control parameter, process the command of corresponding key, display the cut information and so on.
According to the experiment, the designed PID control system has a less overregulate. Its static control accuracy is equal to constant PID control, its dynamic control accuracy exceed the constant PID control. The designed system make the abrasive load is more stable. Problems are settled that the feed speed is difficult to
choose and abrasion wheel is blocked or cracked and the sample is sometimes overheated. The design is proved feasible.
Applying embedded Linux develop technology in metallographic equipments research first time. It make the develop put more energy on the applying implementation, avoiding low level repetitive develop work.
This design is more advanced on technique and more reusable in develop engineering.
引文
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